Paperin- ja kartonginvalmistusprosessien mallinnus ja dynaaminen reaaliaikainen simulointi: Lisensiaatintyö

Tietokoneavusteinen dynaaminen simulointi tarjoaa matemaattisen testipenkin, jossa prosessin ja sen automaation käyttäytymistä voidaan tutkia kustannustehokkaasti ja ilman riskiä ihmisille, ympäristölle tai tuotantolaitteistolle. Tehtaanlaajuisten, laskentanopeudeltaan vähintään reaaliaikaisten dynaamisten simulointimallien hyödyntäminen yleistyy muun muassa prosessin ja automaation suunnittelussa ja kehitystyössä, automaation testauksessa ja operaattoreiden koulutuksessa. Simulointiin tarvittavien matemaattisten mallien kehittäminen on paperinvalmistusprosessien tapauksessa moniulotteinen tehtävä. Paperin raaka-aineet, kuidut ja täyteaineet muodostavat veden kanssa epähomogeenisen seoksen, jonka käyttäytymistä on vaikea ennustaa tarkasti. Prosessissa on useita yksikköoperaatioita, esimerkiksi rainaus, joiden ilmiöitä pystytään vain osittain kuvaamaan teoreettisesti ja joista on hyvin vähän saatavilla mallinnukseen soveltuvaa mittausdataa. Eri osatekijöiden lisäksi prosessin ja sen automaation muodostama kokonaisuus on monimutkainen sisältäen paljon takaisinkytkentöjä ja ristikkäisvaikutuksia. Prosessin ilmiöiden aikajänne vaihtelee millisekunneista tunteihin. Tämä tutkimus kokoaa mallinnuksen näkökulmasta keskeistä tietoa paperin- ja kartonginvalmistuksesta. Työssä tutustutaan simuloinnin taustaan, sovelluksiin sekä työkaluihin sellu- ja paperiteollisuudessa. Käytännön esimerkkinä kuvataan Apros Paper -simulointiympäristössä (APMS) toteutettu kolmikerroskartonkikoneen mallinnus: valitut mallit, käytetyt yksinkertaistukset sekä kokemuksia mallin rakentamisesta, validoinnista ja hyödyntämisestä. Kohdeprosessin mallinnus alkaa jauhatuksen syöttösäiliöiltä ja kattaa prosessin kuivatusosan ensimmäiselle mittaraamille asti. Mallinnuksessa on käytetty mahdollisimman pitkälle mekanistisia, fysiikan ja kemian peruslakeihin perustuvia malleja, joita on tarpeen mukaan täydennetty kokeellisella tiedolla. Mittaustietoihin vertailu osoitti mallin vastaavan hyvin kohdekoneen dynaamista käyttäytymistä. Työssä osoitetaan, että dynaamista simulointimallia, johon on yksityiskohtaisesti kuvattu prosessin ja automaation keskeiset osat, voidaan menestyksellisesti käyttää monimutkaisen dynaamisen järjestelmän tutkimiseen ja hallinnan kehittämiseen. Rakennettua kartonkikonemallia sovellettiin ensimmäisenä lajinvaihtojen kehittämiseen. Jo simulaattorin rakentamisvaihe oli hyödyllinen syventäen ymmärrystä eri tekijöiden vaikutuksesta lajinvaihdossa. Lisäksi lajin-vaihtoautomaation mallia testattaessa havaittiin kaksi operaattoreiden virheellistä käytäntöä lajinvaihtoautomaation käyttämisessä. Tehtaalla tehtyjen simulointikokeiden avulla haettiin lajinvaihtoautomaation viritysparametreille uudet arvot, jotka otettiin käyttöön kohdekoneella. Muutosten ansiosta lajinvaihtoaikojen todettiin lyhentyneen noin 15 %. Toisessa sovellusesimerkissä simulointimallin kuivatusosaa muutettiin korvaamalla kuivatussylintereitä päällepuhalluskuivaimella. Simuloimalla selvitettiin muutosten vaikutusta kuivatuskapasiteettiin ja tutkittiin uuden kuivaimen hyödyntämistä kartongin kosteuden hallintaan. Työn lopuksi arvioidaan käytettyä mallinnuksen ja simuloinnin lähestymistapaa sekä pohditaan mallin kehittämiskohteita saatujen tulosten valossa. Kehitetylle simulointimallille esitellään myös uusia mahdollisia käyttötapoja.